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唐山马兰庄铁矿露天开采边坡 变形监测的GB-InSAR 技术
2018-05-15
高精度实时变形监测是露天矿边坡安全监测的重要思路。与常规的测量方式相比, 地基差分干涉雷达( Ground-based differential interferometric radar,GB-InSAR) 具有全天候、非接触、 高精度、宽角度、实时监测等优点,适合于对露天矿危险边坡进行监测,是目前露天矿边坡安全监测 的主要技术装备。马兰庄铁矿露天矿区边坡为典型岩质边坡,边坡标高落差大,边坡较陡(边坡角 为38° ~47°),采场存在雾霾、粉尘,能见度较小。为确保该矿边坡稳定,确保矿区安全生产,在详 细分析GB-InSAR 技术原理、系统组成及工作流程的基础上,将其应用于该矿露天矿区边坡稳定...
Serial No. 588 April. 2018 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 588期 2018 年 4 月第 4 期 · 安全·职业健康· 唐山马兰庄铁矿露天开采边坡 变形监测的 GB-InSAR 技术 1 1 1 1 2 3 刘作利 ꢀ 刘景玉 ꢀ 申修强 ꢀ 马ꢀ 辉 ꢀ 田卫明 ꢀ 左荣虎 ( 1. 唐山首钢马兰庄铁矿有限责任公司;2. 北京理工大学信息与电子学院; 3 . 北京理工雷科电子信息技术有限公司) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 高精度实时变形监测是露天矿边坡安全监测的重要思路。 与常规的测量方式相比, 地基差分干涉雷达(Ground-based differential interferometric radar,GB-InSAR) 具有全天候、非接触、 高精度、宽角度、实时监测等优点,适合于对露天矿危险边坡进行监测,是目前露天矿边坡安全监测 的主要技术装备。 马兰庄铁矿露天矿区边坡为典型岩质边坡,边坡标高落差大,边坡较陡(边坡角 为 38° ~ 47°),采场存在雾霾、粉尘,能见度较小。 为确保该矿边坡稳定,确保矿区安全生产,在详 细分析 GB-InSAR 技术原理、系统组成及工作流程的基础上,将其应用于该矿露天矿区边坡稳定性 实时监测中。 在露天矿区东坡监测出一 90 m×40 m 椭圆形变形区域,该区底部的变形量和变形速 率均大于顶部,11 d(2016 年 12 月 10 日—2016 年 12 月 20 日)的最大变形量累计达到ꢁ270 mm,部 分点位的变形速率稳定于ꢁ1 mm/ h。 根据监测结果,及时对该变形区域进行了边坡处理,有效避免 了灾害发生。 研究表明:采用 GB-InSAR 对露天矿区边坡稳定性进行实时监测,可以达到边坡灾害 预警的目的,对于确保矿区边坡稳定具有重要作用。 关键词ꢀ 露天矿ꢀ 边坡雷达ꢀ 地基差分干涉雷达ꢀ 边坡变形监测ꢀ 灾害预警 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2018. 04. 047 Deformation Monitoring of the Open-pit Slope of Malanshan Iron Mine in Tangshan City Based on GB-InSAR 1 1 1 1 2 3 Liu Zuoli ꢀ Liu Jingyu ꢀ Shen Xiuqiang ꢀ Ma Hui ꢀ Tian Weiming ꢀ Zuo Ronghu ( 1. Tangshan Malanzhuang Iron Mine,Capital Steel Group Co. ,Ltd. ;2. School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology;3. Beijing RACO Electronic Information Technology Co. ,Ltd. , Beijing Institute of Technology) Abstractꢀ High precision and real-time deformation monitoring is the important ideals of the safety monitoring of open-pit slope. Compared with the conventional monitoring methods,the ground-based differ- ential interferometer radar (GB-InSAR) is characterized by all-weather,non-contact,high precision,wide angle and real-time monitoring,it is very suitable for the stability monitoring of the dangerous slope of open-pit mine,it becomes the main technical equipment of the safety monitoring of open-pit slope. The open-pit slope of Malanzhuang Iron Mine is belongs to the typical rock slope,it is characterized by large elevation difference and large slope angle (38° ~ 47°),besides that,haze and dust existed seriously in the open-pit stope. The existence of the above factors caused the deformation monitoring of the open-pit slope of the mine is very difficult. In order to ensure the stability of the open-pit slope and guarantee the safety mining of the mine,based on analyzing the technical principal,system composition and working flow of GB-InSAR,it is applied to monitor the deformation of open-pit slope of the mine in real time. The monitoring ꢀ ꢀ 刘作利(1968—),男,总经理,高级工程师,硕士,064400 河北省 迁安市马兰庄镇安康街 401 号。 1 76 ꢀ ꢀ 刘作利ꢀ 刘景玉等:唐山马兰庄铁矿露天开采边坡变形监测的 GB-InSAR 技术 ꢀ 2018 年 4 月第 4 期 results show that the elliptic deformation area (90 m×40 m) is found in the east of the open-pit slope,the deformation value and deformation rate of the bottom of the area are larger than the ones of the top of the area,the accumulated maximum deformation value is ꢁ270 mm during 11 days (from December 10 to De- cember 20,2016),deformation rate of the part of monitoring points is ꢁ1 mm/ h. According to the above monitoring results,the deformation area is processed,therefore,the slope safety hazards of the area is elim- inated effectively. The study results indicated that the goal slope hazards warning of open-pit mine can be realized by adopting GB-InSAR,the important role of ensuring the safety of open-pit slope can be taken based on GB-InSAR. Keywordsꢀ Open-pit mine,Slope radar,Ground-based differential interferometer radar,Slope de- formation monitoring,Hazards warning ꢀ ꢀ 我国有露天矿山约 7 万座,尾矿库 1. 2 万座, 1ꢀ GB-InSAR 技术原理 排土场 10 万余座,该类边坡一旦失稳,不仅会影响 1. 1ꢀ SAR 技术原理 [ 1] 企业生产,更会威胁作业人员的生命安全 。 因 此,通过对边坡变形进行实时监测,并对监测数据进 行一系列处理分析,对于准确掌握边坡灾害发生、发 展和变化机理,进而实现边坡灾害预警具有重要意 SAR 是利用一个小的真实天线的运动来等效 构成一个长天线,从而可以在运动方向上获得一个 等效的大孔径(合成孔径) 天线,利用该方式,雷达 对目标的分辨率将会有所提高。 根据合成孔径成像 技术原理,设雷达系统发射的信号带宽为 B,电磁波 在真空中的传播速度为 c,则雷达斜距向分辨率为 [ 2-3] 义 。 全站仪、测量机器人和水准仪等传统测量技 术在变形监测中已经得到了广泛应用,但精度易受 [ 13] [ 4] c/ 2B 。 当信号带宽为 300 MHz 时,系统能达到的 最大距离向分辨率为 0. 5 m。 若雷达发射的电磁波 波长为 λ,雷达滑动的最大距离为 L,则雷达方位角 分辨率为 λ / 2L。 气候、时间、通视等条件的限制 。 合成孔径雷达(Synthetic aperture radar, SAR) 是一种基于微波传感器的雷达,具有全天候和一定 穿透性等优点。 差分干涉合成孔径雷达技术(Dif- ferential interferometric synthetic aperture radar,D-In- SAR)是 SAR 的一个重要应用,在近十余年内得到 了快速发展和广泛应用。 星载和地基干涉合成孔径 雷达技术是干涉合成孔径雷达技术(Interferometric synthetic aperture radar,InSAR)的 2 种重要形式。 星 载干涉合成孔径雷达具有获取变形范围大的优势, 本研究采用的 GB-InSAR 雷达系统信号处于 Ku 波段(12. 5 ~ 18 GHz),可以获得的最高方位向 分辨率约为 4 mrad。 通过将 SAR 与调频连续波技 术(Stepped frequency continuous wave,FMCW) 相结 合,监测区域可以被分割为较多二维小单元(图 1)。 [ 5-9] 可应用于大区域地表沉降监测 ,但由于星载干涉 合成孔径雷达具有较长重返周期、固定成像姿态和 低空间分辨率等不足,导致其在边坡变形监测中效 果不理想。 地基干涉合成孔径雷达测量技术(GB- InSAR)是星载干涉合成孔径雷达干涉测量技术的 有效补充,不仅具有最优观测姿态和连续观测性能, 而且具有灵活多变、分辨率高、平台稳定、观测周期 短、造价相对低廉等优点,属于非接触测量方法范 图 1ꢀ GB-InSAR 监测空间分辨单元 GB-InSAR 雷达系统在获取目标区域数据过程 中,由于天线运动轨道固定,对某一区域目标重复监 测成像时天线都处于相同的空间位置,因而空间基 线为 0。 雷达信号往返路径之差即为雷达视线方向 [ 10-12] 畴,适用于对危险边坡进行实时变形监测 。 本 [ 13] 研究以唐山马兰庄铁矿为例,针对该矿边坡特点,采 用 GB-InSAR 技术进行边坡变形监测,结合监测数 据处理分析结果,进一步评价利用该技术进行边坡 变形监测的可行性。 目标距离的变化量,具体可以表现为相位差 1. 2ꢀ 地基雷达差分干涉变形测量原理 。 利用 D-InSAR 技术可以对 SAR 图像进行干涉 处理并去除干涉图中的非形变相位,实现对地表进 行大范围、高精度、全天候变形监测。 由于地基雷达 1 77 总第 588 期 现代矿业 2018 年 4 月第 4 期 主机部分始终在线性导轨上滑动,滑轨的起点和终 点位置始终未发生变动,SAR 图像数据的轨道是严 格重合的,即地基雷达并不存在空间基线。 如此,地 基雷达和星载雷达的干涉测量方式有较大区别,地 基雷达差分干涉处理时,无需去平地效应和去地形 效应,因此从理论上分析,差分干涉 SAR 图像的相 位信息仅包含变形信息。 GB-InSAR 可通过测量视 线方向上回波信号的相位变化实现高精度变形测量 信息来消除大气、轨道等噪声误差,进而获取高精度 的变形监测数据。 2ꢀ GB-InSAR 系统组成与工作流程 2. 1ꢀ 系统组成 GB-InSAR 系统的主体部分由高分辨调频连续 波(FMCW) 雷达、高精度电控位移台组成( 图 3)。 整个系统包括主控计算机设备、远程数据传输系统 设备等。 调频连续波雷达通过发送线性调频的电磁 波信号可以实现快速成像,最快观测一次耗时小于 2 min。 高精度电控位移台可保障雷达在运行过程 中平稳可靠,为雷达合成孔径计算过程的必备外界 条件。 实时监测软件包括二维和三维 2 个模式,可 以有效地从雷达观测结果中识别出相应的地形位置 信息。 雷达系统的主控计算机除了安装实时监测软 件以外,还可以构建数据库及发布网站,可将雷达观 测数据以网站的方式进行实时发布。 当雷达与监控 室之间无法进行有线网络通讯时,数据远程传输设 备可以通过无线方式实时发送雷达观测数据。 ( 图 2),视线方向的形变量 Δd 与干涉相位 ϕdef 关系 可以表示为 ϕdef = 4 πΔd , (1) λ 式中,λ 为雷达信号的波长。 图 2ꢀ 差分干涉雷达变形监测原理 [ 9] 由干涉相位解缠理论 可知,干涉图中相邻 2 个永久散射体(Permanent scatterer,PS) 点位之间的 相位差不大于 1 / 4λ,即为边坡雷达变形监测的最大 形变分辨能力。 因此,地基差分干涉 SAR 图像的变 形测量分辨能力与雷达波长密切相关。 如本研究采 用的 Ku 波段雷达波长约为 1. 8 cm,则相邻 2 个形 变点位的最大形变分辨能力为 4. 5 mm。 根据差分 干涉雷达的基本理论,目标点的干涉相位可以表示 为 图 3ꢀ 边坡监测雷达系统主体部分外观 2. 2ꢀ 系统工作流程 设备工作时,边坡雷达实时处理软件可以实时 显示雷达工作状态,可以实现数据实时处理、处理结 果实时存储与显示、历史数据实时回放等功能。 雷 达观测数据通过网络传输至服务器,再利用服务器 中构建的数据库对大量的雷达变形监测数据进行统 一管理,最终观测结果可以通过多个客户端进行实 时显示。 本研究雷达系统的变形监测数据可与三维 地形信息进行叠加显示,对变形数据可以进行打点 曲线分析和实时预警,此外,用户还可以在线查询特 定区域在各时期的变形信息。 GB-InSAR 系统的工 作流程如图 4 所示。 ϕInt = ϕdef + Δϕatmosphere + Δϕtrack + Δϕnoise , (2) 式中,ϕdef 为地表变形相位;Δϕatmosphere 为大气相位; Δϕtrack 为由定轨误差引入的相位;Δϕnoise 为由时间 去相关等因素引入的随机相位。 当式(2)中的后 3 项误差较大时将无法获得高 精度的地表变形信息。 为此,在本研究边坡雷达系 统中采用了永久性散射体技术(PS)。 该方法首先 在 SAR 图像中根据幅度阈值、幅度离差阈值、相关 性阈值等指标优选出高相关性的目标点( PS 点); 然后对 Δϕatmosphere 、Δϕtrack 、Δϕnoise 进行建模并估计补 偿大气误差、轨道误差和噪声误差相位;最后获取 PS 点的形变信息。 数据解算过程的重要环节为相 该系统在形变测量的基础上,设计了振动观测 环节,通过对目标回波进行计算,从而可以计算出强 散射体的振幅和频率值。 [ 9] 位解缠 ,特别是在 GB-InSAR 矿区边坡变形监测 数据处理中,直接影响了边坡变形监测精度。 进行 相位解缠时首先选择 1 组永久散射体候选子集,通 过构建三角网进行插值处理,而后进行空间维和时 间维解缠,最终通过处理分析永久散射体间的位移 3ꢀ 工程应用 3. 1ꢀ 边坡概况 马兰庄铁矿资源储量为 8 912. 15 万 t,SFe 平均 品 位 为 29. 64% , 目 前 露 天 采 矿 规 模 达 到 300 万 t/ a,银河博彩娱乐网站大全处理原矿能力达180万t / a,精矿产 1 78 ꢀ ꢀ 刘作利ꢀ 刘景玉等:唐山马兰庄铁矿露天开采边坡变形监测的 GB-InSAR 技术 ꢀ 2018 年 4 月第 4 期 图 6ꢀ 安装于活动房内的边坡雷达 图 4ꢀ 边坡雷达系统工作流程 量为 80 万 t/ a。 该矿位于河北省迁安市马兰庄镇, 西距北京约 200 km,西南距唐山约 80 km。 矿区中 心的地理坐标为东经 118°36'、北纬 40°06'。 该矿露 天矿区呈椭圆状,整个采场长半轴约 1 100 m,短半 轴约 900 m,采场边坡为典型岩质边坡,无植被覆 盖,边坡高度落差大,最大开采深度超过 200 m;边 坡角为 38° ~ 47°,在如此陡峭的边坡上安装监测设 备难度较大;此外,采场存在雾霾、粉尘,能见度不 高。 随着该矿露天开采深度进一步增加,边坡稳定 性成为制约采场安全生产的重要因素。 图 7ꢀ 监控室远程边坡雷达控制 年 12 月 20 日。 矿坑东边坡监测时间为 2016 年 12 月 10 日—2016 年 12 月 20 日,监测期分为 2 段:第 1 段监测期为 2016 年 12 月 10 日—2016 年 12 月 16 日;第 2 段监测期为 2016 年 12 月 17 日—2016 年 2 月 20 日。 矿坑东边坡 2 次监测的区域完全一 1 致,雷达观测距离为 300 ~ 900 m,观测范围恰好覆 盖整个露天采场的东边坡。 GB-InSAR 通过主动发 射调频连续波信号并接收成像,而后对成像结果进 行 PS 点选择、相位解缠及误差改正,单轨变形结果 计算的最短耗时小于 2 min,从而实时获取边坡变形 信息。 矿坑西坡的监测期超过 3 个月,相对于东坡, 尽管监测期较长,但未监测出明显的变形信息,表明 在监测期内该区域的边坡基本处于稳定状态。 矿坑 东坡的监测期仅有 11 d,虽然监测期较短,但 2 个监 测时段均监测出矿坑东坡在同一区域内出现形变, 该区域为 90 m×40 m(长半轴×短半轴) 椭圆形,标 高由高至低,变形量逐渐增大(图 8)。 3 . 2ꢀ 边坡变形监测方案 根据该矿露天采场的实际条件,结合被监测边 坡危险区域的分布特点,将边坡雷达安置于矿坑东 坡和西坡地基较稳定处。 为使边坡变形监测工作不 受雨雪等不利天气条件影响,满足恶劣气象条件下 不间断监测要求,在矿坑东侧边坡监测位置建立了 活动房(图 5),将 GB-InSAR 安置于该活动房中进 行边坡变形观测,可以有效避免恶劣天气对仪器的 影响(图 6)。 将边坡监测系统服务器设置于矿区机 房,监控人员通过客户端可以完成对雷达工作的实 时控制以及对监测结果的分析( 图 7)。 GB-InSAR 采用 24 h 不 间 断 监 测 方 式, 测 量 频 率 为 2 ~ 分析图 8 可知:第 1 个监测段内的最大变形量 达到ꢁ150 mm(符号为负,表现为接近雷达方向的视 线向形变);第 2 个监测段内雷达重新启动,变形结 果重新清零,边坡最大变形量约ꢁ120 mm,也表现为 接近雷达方向的视线向形变。 2 次观测结果均显示 出边坡变形区下部变形速度快、变形量大的特点,2 次监 测 期 积 累 的 雷 达 视 线 向 最 大 变 形 量 达 到ꢁ270 mm。 1 0 min / 次,采用实时处理方式实现对整个边坡表 面的连续变形进行实时监测。 为进一步分析边坡变形特点,针对第 2 观测期 内边坡变形较大的 1 个点位(图 9)进行了打点曲线 分析,如图 9 所示。 分析图 9 可知:该点位变形速率 较稳定,观测期内的最大变形量约ꢁ120 mm。 为更 精确地计算该点位的变形速率,利用边坡雷达实时 图 5ꢀ 雷达活动房 3 . 3ꢀ 监测数据分析 矿坑西坡监测时间为 2016 年 9 月 12 日—2016 1 79 总第 588 期 现代矿业 2018 年 4 月第 4 期 图 8ꢀ 开采东坡形变时间序列 区 域 完 全 一 致, 局 部 区 域 的 最 大 形 变 速 率 超 过ꢁ1 mm/ h,同时可以看到变形区域底部的变形量 大于上部。 图 10ꢀ 观测期内平均形变速率 依据本研究 DB-InSAR 边坡变形监测结果,对 边坡变形区进行了现场考察,发现该变形区顶部的 边坡岩体产生了明显裂缝,区域上部出现的裂缝显 示局部位置变形量超过 180 mm(图 11),并且下部 变形量大于上部。 总体上,雷达监测结果与现场实 际情况基本一致。 矿山工程技术人员根据本研究边 坡变形监测结果,及时对变形区域进行了边坡处理, 有效避免了边坡灾害发生。 图 9ꢀ 点位变形曲线和变形速率曲线 监测软件,在综合分析边坡变形特征及监测误差的 基础上,将矿坑东坡第 2 监测期内的累计变形量与 第 2 个监测期的总监测时间相除,结果如图 10 所 示。 分析图 10 可知:变形速率所显示的位置与变形 1 80 ꢀ ꢀ 刘作利ꢀ 刘景玉等:唐山马兰庄铁矿露天开采边坡变形监测的 GB-InSAR 技术 ꢀ 2018 年 4 月第 4 期 北京:人民交通出版社,2010. 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